本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種壓力管道輸水系統(tǒng)非恒定流模型的優(yōu)化方法。
背景技術(shù):
長(zhǎng)距離輸水工程的特點(diǎn)為輸水管線長(zhǎng)、地形起伏多變和水流條件復(fù)雜等,其過(guò)渡過(guò)程模擬計(jì)算的影響因素比較多,除了輸水系統(tǒng)自身影響因素外,自身影響因素如摩阻、壓力、溫度等,計(jì)算模型因素包括時(shí)間步長(zhǎng)選取、采用的計(jì)算方法等也至關(guān)重要。長(zhǎng)距離輸水管道瞬變流計(jì)算時(shí),時(shí)間步長(zhǎng)的取值大小是影響水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果的重要因素之一,時(shí)間步長(zhǎng)取值太大,無(wú)法滿足計(jì)算精度要求,方程的解難以達(dá)到穩(wěn)定;取值太小,若輸水管線長(zhǎng),導(dǎo)致計(jì)算工作量較大。因此合理確定計(jì)算管道分段數(shù),既保證計(jì)算的精度,又減少計(jì)算的工作量,是長(zhǎng)距離管道輸水泵站工程的水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬必須考慮的一個(gè)重要因素。
現(xiàn)有通常調(diào)整波速法計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng),調(diào)整波速法是通過(guò)在一定范圍內(nèi)對(duì)波速進(jìn)行調(diào)整,使壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)各管段的分段數(shù)是整數(shù)且時(shí)間步長(zhǎng)相等。該法是目前最為常用的壓力管道(復(fù)雜管系)分段方法。
調(diào)整波速法存在的問(wèn)題如下:
(1)由于調(diào)整波速法是依據(jù)壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)波傳播時(shí)間最短的一條管段(通常為管長(zhǎng)最短的管段)作為計(jì)算基礎(chǔ),在計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)時(shí),不對(duì)短管的波速并沒有調(diào)整,使得壓力管道輸水系統(tǒng)的管道分段受到限制,有可能使時(shí)間步長(zhǎng)Δt的取值過(guò)小。
(2)波速調(diào)整后,水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到終點(diǎn)的總時(shí)間T′與未調(diào)整波速時(shí)的總時(shí)間T很難一致,存在一個(gè)差值ΔT=T′-T引起誤差。
(3)現(xiàn)有調(diào)整波速法沒有體現(xiàn)優(yōu)化思想,分段時(shí)只要滿足公式a就算滿足要求。
盡管調(diào)整波速分段法的提出主要是基于水錘波速影響因素多,不能精確得知時(shí)間步長(zhǎng),得到的時(shí)間步長(zhǎng)與真實(shí)值間存在誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種壓力管道輸水系統(tǒng)非恒定流模型的優(yōu)化方法,從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前述問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明所述壓力管道輸水系統(tǒng)非恒定流模型的優(yōu)化方法,所述方法包括:
首先,獲取壓力管道輸水系統(tǒng)中的有壓管段,對(duì)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的水錘波速進(jìn)行調(diào)整,獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax,計(jì)算獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax所對(duì)應(yīng)的最短有壓管段的最小分段數(shù)N0min;
然后,通過(guò)最小分段數(shù)N0min計(jì)算其他任意一個(gè)有壓管段i的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin及最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)分段數(shù)Ni最優(yōu);
最后,通過(guò)最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin,調(diào)整水錘波速,保證調(diào)整前、后水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的總時(shí)間相同。
優(yōu)選地,對(duì)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的水錘波速進(jìn)行調(diào)整,獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax,計(jì)算獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax所對(duì)應(yīng)的最短有壓管段最小分段數(shù),具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn):
計(jì)算壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的管長(zhǎng)L0、波速a0和分段數(shù)N0,其中,管長(zhǎng)L0、波速a0存在關(guān)系式(1):
壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外任意一個(gè)有壓管段分段數(shù)Ni滿足公式(2),所述Ni為正整數(shù):
其中,i表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外任意一個(gè)有壓管段的編號(hào),i為大于等于1的正整數(shù),m表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外有壓管段的總數(shù)量,α表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外其他有壓管段的水錘波波速;fi表示編號(hào)為i的有壓管段的波速調(diào)整系數(shù);Li表示編號(hào)為i的有壓管段的長(zhǎng)度;△t表示水錘波傳播時(shí)間最短管段的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng);
所述△t的取值范圍符合公式(3):
fmax表示|fi|的最大取值,在計(jì)算水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的波速調(diào)整的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)時(shí),|fi|=0.15;T表示未調(diào)整波速時(shí),水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到終點(diǎn)的實(shí)際總時(shí)間;
由于水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的波速調(diào)整不會(huì)影響對(duì)壓力管道輸水系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果,故,在獲取△t的取值范圍時(shí),設(shè)|fi|=0.15,則fmax=-0.15或fmax=0.15,因此,△t的取值范圍符合公式(4):
通過(guò)公式(4),得到最大關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax的計(jì)算公式(5);
在公式(5)的基礎(chǔ)上,根據(jù)公式(6)計(jì)算最大的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax所對(duì)應(yīng)的最小分段數(shù)N0min為:
優(yōu)選地,通過(guò)最小分段數(shù)N0min計(jì)算其他任意一個(gè)有壓管段i的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin及最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)分段數(shù)Ni最優(yōu),具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn):
S1,采用公式(7)計(jì)算任意一個(gè)有壓管段i的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtj;
△tj=L0/(N0mina0(1+f0)),-0.15≤f0≤0.15 (7);
L0、a0分別表示壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的管長(zhǎng)和波速;f0表示壓力管系內(nèi)波傳播時(shí)間最短管段的波速調(diào)整系數(shù);當(dāng)f0在[-0.15,0.15]范圍內(nèi)以一微小增量j改變時(shí),由公式(7)計(jì)算當(dāng)f0=f0j時(shí),與f0j對(duì)應(yīng)的Δtj值,所述微小增量j的取值增量為0.001;
S2,根據(jù)關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtj,計(jì)算壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)編號(hào)為i的有壓管段的分段數(shù)Ni,i=1,2,…,m,m表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外有壓管段的總數(shù)量;判斷分段數(shù)Ni是否為式(8)所示的范圍內(nèi)的正整數(shù);
如果是,進(jìn)入S3,計(jì)算得到編號(hào)為i的有壓管道的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin:
如果否,表示f0=f0j求得的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtj不符合要求,則返回S1,應(yīng)用公式(7)計(jì)算當(dāng)f0=f0(j+1)時(shí),與f0(j+1)所對(duì)應(yīng)的△t(j+1),繼續(xù)S2,判斷通過(guò)f0=[-0.15,0.15]中的所有取值是否能夠計(jì)算得到符合式(8)的正整數(shù)分段數(shù);如果是,則進(jìn)入S3;如果否,則返回S1,并將公式(7)中的N0min修改為N0min+1,繼續(xù)計(jì)算,直至計(jì)算得到編號(hào)為i的管段至少存在一個(gè)符合式(8)的正整數(shù)分段數(shù)為止;
S3,將符合式(8)的編號(hào)為i的有壓管道分段數(shù)按下式(9)進(jìn)行計(jì)算,得到編號(hào)為i的有壓管道的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin;
fimin所對(duì)應(yīng)的分段數(shù)即為有壓管段i的最優(yōu)分段數(shù)Ni最優(yōu),Li表示有壓管段i的管長(zhǎng),ai表示管段i的波速。
優(yōu)選地,通過(guò)最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin,調(diào)整水錘波速,保證調(diào)整前、后,水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的總時(shí)間相同,具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn):
水錘波速未調(diào)整,水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的實(shí)際總時(shí)間為T,水錘波速調(diào)整后,水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的總時(shí)間為T′,T與T′的關(guān)系用公式(10)表示:
T'ε=T (10);
其中,系數(shù)ε符合公式(11);
則,最優(yōu)波速調(diào)整系數(shù)為f′i:f′i=(1+fimin)/ε-1 (12);
最優(yōu)時(shí)間步長(zhǎng)為Δt′:△t′=△tjε (13);
最后,判斷壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外任意一個(gè)有壓管段的最優(yōu)波速調(diào)整系數(shù)為fi′是否小于0.10,如果是,則該有壓管段的最優(yōu)時(shí)間步長(zhǎng)為Δt′,如果否,則將水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的分段數(shù)加1后,重新計(jì)算最大的時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax及最短有壓管段的最小分段數(shù)N0min,然后進(jìn)入S2,直至計(jì)算得到的所有結(jié)果均滿足條件為止。
優(yōu)選地,調(diào)整水錘波速調(diào)整前、后的總時(shí)間相同后,還包括以下步驟:
計(jì)算與有壓管道相鄰的無(wú)壓渠道的時(shí)間步長(zhǎng);設(shè)無(wú)壓管道的時(shí)間步長(zhǎng)為△t0,管道流的時(shí)間步長(zhǎng)為△tc,令△t0與△tc符合公式(14):
△tc=N△t0,N為整數(shù) (14);
設(shè)明渠和管道流的空間步長(zhǎng)分別為△x0與△xc,為保證明渠與管道流的銜接,將明渠在連接斷面附近的空間步長(zhǎng)△x0設(shè)置為△x0/N,然后按庫(kù)朗條件將明渠在連接斷面的△t0縮小1/N×△t0,從而與管道的時(shí)間步長(zhǎng)△tc相匹配。
本發(fā)明是一種通過(guò)改進(jìn)調(diào)整波速法壓力管道確定時(shí)間步長(zhǎng)的壓力管道輸水系統(tǒng)非恒定流模型的優(yōu)化技術(shù),采用改進(jìn)的調(diào)整波速法進(jìn)行分段,首先對(duì)波傳播時(shí)間最短管段的波速進(jìn)行調(diào)整,選取盡可能大的時(shí)間步長(zhǎng)Δt,最小化整個(gè)管系波速調(diào)整幅度,再通過(guò)各管段最優(yōu)波速調(diào)整系數(shù),使波速調(diào)整前后水錘波從壓力管道起點(diǎn)傳播到終點(diǎn)的總時(shí)間保持一致。
本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所述方法使壓力管道輸水系統(tǒng)的波速調(diào)整幅度與比傳統(tǒng)方法相比顯著減??;通過(guò)ε的調(diào)整,使時(shí)差ΔT=0s,保證了波速調(diào)整前后水錘波從壓力管系起點(diǎn)傳播到終點(diǎn)的總時(shí)間完全一致。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
實(shí)施例
本實(shí)施例所述壓力管道輸水系統(tǒng)非恒定流模型的優(yōu)化方法,所述方法包括:
首先,獲取壓力管道輸水系統(tǒng)中的有壓管段,對(duì)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的水錘波速進(jìn)行調(diào)整,獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax,計(jì)算獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax所對(duì)應(yīng)的最短有壓管段的最小分段數(shù)N0min;
然后,通過(guò)最小分段數(shù)N0min計(jì)算其他任意一個(gè)有壓管段i的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin及最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)分段數(shù)Ni最優(yōu);
最后,通過(guò)最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin,調(diào)整水錘波速,保證調(diào)整前、后水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的總時(shí)間相同。
更詳細(xì)的解釋說(shuō)明:
(一)對(duì)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的水錘波速進(jìn)行調(diào)整,獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax,計(jì)算獲取最大時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax所對(duì)應(yīng)的最短有壓管段最小分段數(shù),具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn):
計(jì)算壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的管長(zhǎng)L0、波速a0和分段數(shù)N0,其中,管長(zhǎng)L0、波速a0存在關(guān)系式(1):
壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外任意一個(gè)有壓管段分段數(shù)Ni滿足公式(2),所述Ni為正整數(shù):
其中,i表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外任意一個(gè)有壓管段的編號(hào),i為大于等于1的正整數(shù),m表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外有壓管段的總數(shù)量,α表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外其他有壓管段的水錘波波速;fi表示編號(hào)為i的有壓管段的波速調(diào)整系數(shù);Li表示編號(hào)為i的有壓管段的長(zhǎng)度;△t表示水錘波傳播時(shí)間最短管段的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng);
所述△t的取值范圍符合公式(3):
fmax表示|fi|的最大取值,在計(jì)算水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的波速調(diào)整的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)時(shí),|fi|=0.15;T表示未調(diào)整波速時(shí),水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到終點(diǎn)的實(shí)際總時(shí)間;
由于水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的波速調(diào)整不會(huì)影響對(duì)壓力管道輸水系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果,故,在獲取△t的取值范圍時(shí),設(shè)|fi|=0.15,則fmax=-0.15或fmax=0.15,因此,△t的取值范圍符合公式(4):
通過(guò)公式(4),得到最大關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax的計(jì)算公式(5);
在公式(5)的基礎(chǔ)上,根據(jù)公式(6)計(jì)算最大的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax所對(duì)應(yīng)的最小分段數(shù)N0min為:
(二)通過(guò)最小分段數(shù)N0min計(jì)算其他任意一個(gè)有壓管段i的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin及最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)分段數(shù)Ni最優(yōu),具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn):
S1,采用公式(7)計(jì)算任意一個(gè)有壓管段i的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtj;
△tj=L0/(N0mina0(1+f0)),-0.15≤f0≤0.15 (7);
L0、a0分別表示壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的管長(zhǎng)和波速;f0表示壓力管系內(nèi)波傳播時(shí)間最短管段的波速調(diào)整系數(shù);當(dāng)f0在[-0.15,0.15]范圍內(nèi)以一微小增量j改變時(shí),由公式(7)計(jì)算當(dāng)f0=f0j時(shí),與f0j對(duì)應(yīng)的Δtj值,所述微小增量j的取值增量為0.001;
S2,根據(jù)關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtj,計(jì)算壓力管道輸水系統(tǒng)內(nèi)編號(hào)為i的有壓管段的分段數(shù)Ni,i=1,2,…,m,m表示壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外有壓管段的總數(shù)量;判斷分段數(shù)Ni是否為式(8)所示的范圍內(nèi)的正整數(shù);
如果是,進(jìn)入S3,計(jì)算得到編號(hào)為i的有壓管道的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin:
如果否,表示f0=f0j求得的關(guān)系時(shí)間步長(zhǎng)Δtj不符合要求,則返回S1,應(yīng)用公式(7)計(jì)算當(dāng)f0=f0(j+1)時(shí),與f0(j+1)所對(duì)應(yīng)的△t(j+1),繼續(xù)S2,判斷通過(guò)f0=[-0.15,0.15]中的所有取值是否能夠計(jì)算得到符合式(8)的正整數(shù)分段數(shù);如果是,則進(jìn)入S3;如果否,則返回S1,并將公式(7)中的N0min修改為N0min+1,繼續(xù)計(jì)算,直至計(jì)算得到編號(hào)為i的管段至少存在一個(gè)符合式(8)的正整數(shù)分段數(shù)為止;
S3,將符合式(8)的編號(hào)為i的有壓管道分段數(shù)按下式(9)進(jìn)行計(jì)算,得到編號(hào)為i的有壓管道的最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin;
fimin所對(duì)應(yīng)的分段數(shù)即為有壓管段i的最優(yōu)分段數(shù)Ni最優(yōu),Li表示有壓管段i的管長(zhǎng),ai表示管段i的波速。
(三)通過(guò)最小波速調(diào)整幅度f(wàn)imin,調(diào)整水錘波速,保證調(diào)整前、后,水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的總時(shí)間相同,具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn):
水錘波速未調(diào)整,水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的實(shí)際總時(shí)間為T,水錘波速調(diào)整后,水錘波從壓力管道輸水系統(tǒng)起點(diǎn)傳播到壓力管道輸水系統(tǒng)終點(diǎn)的總時(shí)間為T′,T與T′的關(guān)系用公式(10)表示:
T'ε=T (10);
其中,系數(shù)ε符合公式(11);
則,最優(yōu)波速調(diào)整系數(shù)為fi′:fi'=(1+fimin)/ε-1 (12);
最優(yōu)時(shí)間步長(zhǎng)為Δt′:△t′=△tjε (13);
最后,判斷壓力管道輸水系統(tǒng)中除水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段外任意一個(gè)有壓管段的最優(yōu)波速調(diào)整系數(shù)為fi′是否小于0.10,如果是,則該有壓管段的最優(yōu)時(shí)間步長(zhǎng)為Δt′,如果否,則將水錘波傳播時(shí)間最短有壓管段的分段數(shù)加1后,重新計(jì)算最大的時(shí)間步長(zhǎng)Δtmax及最短有壓管段的最小分段數(shù)N0min,然后進(jìn)入S2,直至計(jì)算得到的所有結(jié)果均滿足條件為止。
(四)調(diào)整水錘波速調(diào)整前、后的總時(shí)間相同后,還包括以下步驟:
計(jì)算與有壓管道相鄰的無(wú)壓渠道的時(shí)間步長(zhǎng);設(shè)無(wú)壓管道的時(shí)間步長(zhǎng)為△t0,管道流的時(shí)間步長(zhǎng)為△tc,令△t0與△tc符合公式(14):
△tc=N△t0,N為整數(shù) (14);
設(shè)明渠和管道流的空間步長(zhǎng)分別為△x0與△xc,為保證明渠與管道流的銜接,將明渠在連接斷面附近的空間步長(zhǎng)△x0設(shè)置為△x0/N,然后按庫(kù)朗條件將明渠在連接斷面的△t0縮小1/N×△t0,從而與管道的時(shí)間步長(zhǎng)△tc相匹配。
通過(guò)采用本發(fā)明公開的上述技術(shù)方案,得到了如下有益的效果:本發(fā)明所述方法使壓力管道輸水系統(tǒng)的波速調(diào)整幅度與比傳統(tǒng)方法相比顯著減小;通過(guò)ε的調(diào)整,使時(shí)差ΔT=0s,保證了波速調(diào)整前后水錘波從壓力管系起點(diǎn)傳播到終點(diǎn)的總時(shí)間完全一致。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護(hù)范圍。